« Fizica - clasa a X-a"
Legea conservării energiei - lege fundamentală natura, permițându-ne să descriem majoritatea fenomenelor care apar.
Descrierea mișcării corpurilor este, de asemenea, posibilă folosind concepte de dinamică precum munca și energia.
Amintiți-vă ce sunt munca și puterea în fizică.
Aceste concepte coincid cu ideile de zi cu zi despre ele?
Toate acțiunile noastre zilnice se rezumă la faptul că noi, cu ajutorul mușchilor, fie punem în mișcare corpurile din jur și menținem această mișcare, fie oprim corpurile în mișcare.
Aceste corpuri sunt unelte (ciocan, stilou, ferăstrău), în jocuri - mingi, puci, piese de șah. În producție și agricultură oamenii pun și unelte în mișcare.
Utilizarea mașinilor crește productivitatea muncii de multe ori datorită utilizării motoarelor în acestea.
Scopul oricărui motor este de a pune corpurile în mișcare și de a menține această mișcare, în ciuda frânării atât prin frecare obișnuită, cât și prin rezistența „de lucru” (cuțitorul nu trebuie doar să alunece peste metal, ci, tăind în el, să îndepărteze așchii; plugul ar trebui să afana terenul etc.). În acest caz, o forță trebuie să acționeze asupra corpului în mișcare din partea laterală a motorului.
Munca se desfășoară în natură ori de câte ori o forță (sau mai multe forțe) dintr-un alt corp (alte corpuri) acționează asupra unui corp în direcția mișcării acestuia sau împotriva lui.
Forța gravitației funcționează atunci când picăturile de ploaie sau pietrele cad de pe o stâncă. În același timp, se lucrează și prin forța de rezistență care acționează asupra picăturilor care cad sau asupra pietrei din aer. Forța elastică efectuează de asemenea lucru atunci când un copac îndoit de vânt se îndreaptă.
Definiţia work.
A doua lege a lui Newton sub formă de impuls Δ = Δt vă permite să determinați modul în care viteza unui corp se schimbă în mărime și direcție dacă o forță acționează asupra lui într-un timp Δt.
Influența forțelor asupra corpurilor care duc la modificarea modulului vitezei lor se caracterizează printr-o valoare care depinde atât de forțele, cât și de mișcările corpurilor. În mecanică această mărime se numește munca de forta.
O modificare a vitezei în valoare absolută este posibilă numai în cazul în care proiecția forței F r pe direcția de mișcare a corpului este diferită de zero. Această proiecție este cea care determină acțiunea forței care modifică viteza corpului modulo. Ea face treaba. Prin urmare, munca poate fi considerată ca produsul proiecției forței F r cu modulul deplasării |Δ| (Fig. 5.1):
A = F r |Δ|. (5.1)
Dacă unghiul dintre forță și deplasare este notat cu α, atunci Fr = Fcosα.
Prin urmare, munca este egală cu:
A = |Δ|cosα. (5.2)
Ideea noastră de zi cu zi despre muncă diferă de definiția muncii din fizică. Țineți o valiză grea și vi se pare că lucrați. Totuși, din punct de vedere fizic, munca ta este zero.
Lucrul unei forțe constante este egal cu produsul dintre modulele forței și deplasarea punctului de aplicare a forței și cosinusul unghiului dintre ei.
ÎN caz general la deplasare solid mișcările diferitelor sale puncte sunt diferite, dar atunci când determinăm munca de forță ne aflăm Δ înţelegem mişcarea punctului său de aplicare. În timpul mișcării de translație a unui corp rigid, mișcarea tuturor punctelor sale coincide cu mișcarea punctului de aplicare a forței.
Munca, spre deosebire de forță și deplasare, nu este o mărime vectorială, ci o mărime scalară. Poate fi pozitiv, negativ sau zero.
Semnul lucrării este determinat de semnul cosinusului unghiului dintre forță și deplasare. Dacă α< 90°, то А >0, deoarece cosinus colțuri ascuțite pozitiv. Pentru α > 90°, lucrul este negativ, deoarece cosinusul unghiurilor obtuze este negativ. La α = 90° (forța perpendiculară pe deplasare) nu se lucrează.
Dacă asupra unui corp acţionează mai multe forţe, atunci proiecţia forţei rezultante asupra deplasării este egală cu suma proiecţiilor forţelor individuale:
F r = F 1r + F 2r + ... .
Prin urmare, pentru munca forței rezultante obținem
A = F1r |Δ| + F2r |Δ| + ... = A 1 + A 2 + .... (5.3)
Dacă asupra unui corp acţionează mai multe forţe, atunci de locuri de muncă cu normă întreagă(suma algebrică a muncii tuturor forțelor) este egală cu munca forței rezultante.
Lucrul efectuat de o forță poate fi reprezentat grafic. Să explicăm acest lucru reprezentând în figură dependența proiecției forței de coordonatele corpului când acesta se mișcă în linie dreaptă.
Lăsați corpul să se miște de-a lungul axei OX (Fig. 5.2), apoi
Fcosα = Fx, |A| = Δ x.
Pentru munca de forță obținem
A = F|Δ|cosα = F x Δx.
Evident, aria dreptunghiului umbrită în figura (5.3, a) este numeric egală cu munca efectuată la mutarea unui corp dintr-un punct cu coordonata x1 într-un punct cu coordonata x2.
Formula (5.1) este valabilă în cazul în care proiecția forței asupra deplasării este constantă. În cazul unei traiectorii curbilinii, forță constantă sau variabilă, împărțim traiectoria în segmente mici, care pot fi considerate rectilinii, și proiecția forței la o deplasare mică. Δ - constant.
Apoi, calculând munca la fiecare mișcare Δ
iar apoi însumând aceste lucrări, determinăm lucrul forței asupra deplasării finale (Fig. 5.3, b). Unitatea de lucru.
Unitatea de lucru poate fi stabilită folosind formula de bază (5.2). Dacă, la mișcarea unui corp pe unitate de lungime, acesta este acționat de o forță al cărei modul este egal cu unu și direcția forței coincide cu direcția de mișcare a punctului său de aplicare (α = 0), atunci lucrul va fi egal cu unu. Unitatea de lucru din Sistemul Internațional (SI) este joule (notat cu J):
1 J = 1 N 1 m = 1 N m.
Joule- aceasta este munca efectuata de o forta de 1 N pe deplasarea 1 daca directiile fortei si deplasarea coincid.
Sunt adesea folosite mai multe unități de lucru: kilojoul și megajoule:
1 kJ = 1000 J,
1 MJ = 1000000 J.
Lucrarea poate fi finalizată fie într-o perioadă mare de timp, fie într-o perioadă foarte scurtă. În practică, însă, este departe de a fi indiferent dacă munca se poate face rapid sau încet. Timpul în care se efectuează lucrările determină performanța oricărui motor. Un motor electric mic poate face multă muncă, dar va dura mult timp. Prin urmare, odata cu munca, se introduce o cantitate care caracterizeaza viteza cu care este produsa - puterea.
Puterea este raportul dintre lucrul A și intervalul de timp Δt în care se efectuează acest lucru, adică puterea este viteza de lucru:
Înlocuind în formula (5.4) în locul lucrării A expresia ei (5.2), obținem
Astfel, dacă forța și viteza unui corp sunt constante, atunci puterea este egală cu produsul dintre mărimea vectorului forță cu mărimea vectorului viteză și cosinusul unghiului dintre direcțiile acestor vectori. Dacă aceste mărimi sunt variabile, atunci folosind formula (5.4) se poate determina puterea medie într-un mod similar cu determinarea vitezei medii a unui corp.
Conceptul de putere este introdus pentru a evalua munca pe unitatea de timp efectuata de orice mecanism (pompa, macara, motorul masinii etc.). Prin urmare, în formulele (5.4) și (5.5), se înțelege întotdeauna forța de tracțiune.
În SI, puterea este exprimată în wați (W).
Puterea este egală cu 1 W dacă se execută un lucru egal cu 1 J în 1 s.
Împreună cu watul, sunt utilizate unități mai mari (multiple) de putere:
1 kW (kilowatt) = 1000 W,
1 MW (megawatt) = 1.000.000 W.
Aproape toată lumea, fără ezitare, va răspunde: în al doilea. Și vor greși. Opusul este adevărat. În fizică, este descrisă munca mecanică cu urmatoarele definitii: munca mecanica se realizeaza atunci cand asupra unui corp actioneaza o forta si acesta se misca. Lucrul mecanic este direct proporțional cu forța aplicată și cu distanța parcursă.
Formula de lucru mecanic
Lucrul mecanic este determinat de formula:
unde A este munca, F este forta, s este distanta parcursa.
POTENŢIAL(funcție potențială), un concept care caracterizează o clasă largă de câmpuri fizice de forță (electrice, gravitaționale etc.) și câmpuri în general mărimi fizice, reprezentată prin vectori (câmpul vitezei fluidului etc.). În cazul general, potențialul de câmp vectorial a( X,y,z) este o astfel de funcție scalară u(X,y,z) că a=grad
35. Conductoare într-un câmp electric. Capacitate electrică.Conductoare într-un câmp electric. Conductorii sunt substanțe caracterizate prin prezența în ei a unui număr mare de purtători de sarcină liberi care se pot deplasa sub influența unui câmp electric. Conductorii includ metale, electroliți și cărbune. În metale, purtătorii de sarcini libere sunt electronii învelișurilor exterioare ale atomilor, care, atunci când atomii interacționează, pierd complet conexiunile cu atomii „lor” și devin proprietatea întregului conductor în ansamblu. La care participă electronii liberi mișcarea termică ca moleculele de gaz și se poate mișca prin metal în orice direcție. Capacitate electrică- caracteristica unui conductor, o măsură a capacității acestuia de a acumula sarcină electrică. Teoretic circuite electrice capacitatea este capacitatea reciprocă dintre doi conductori; parametru al unui element capacitiv al unui circuit electric, prezentat sub forma unei rețele cu două terminale. Această capacitate este definită ca raportul dintre cantitate incarcare electrica la diferența de potențial dintre acești conductori
36. Capacitatea unui condensator cu plăci paralele.
Capacitatea unui condensator cu plăci paralele.
Acea. Capacitatea unui condensator plat depinde numai de dimensiunea, forma și constanta dielectrică a acestuia. Pentru a crea un condensator de mare capacitate, este necesar să creșteți suprafața plăcilor și să reduceți grosimea stratului dielectric.
37. Interacțiunea magnetică a curenților în vid. legea lui Ampere.legea lui Ampere. În 1820, Ampère (om de știință francez (1775-1836)) a stabilit experimental o lege prin care se poate calcula forță care acționează asupra unui element conductor de lungime purtând curent.
unde este vectorul inducției magnetice, este vectorul elementului de lungime a conductorului tras în direcția curentului.
Modulul de forță , unde este unghiul dintre direcția curentului în conductor și direcția inducției câmpului magnetic. Pentru un conductor drept de lungime care transportă curent într-un câmp uniform
Direcția forței care acționează poate fi determinată folosind reguli de mâna stângă:
Dacă palma mâinii stângi este poziționată astfel încât componenta normală (față de curent). camp magnetic a intrat în palmă, iar cele patru degete întinse sunt îndreptate de-a lungul curentului, apoi degetul mare va indica direcția în care acționează forța Ampere.
38. Intensitatea câmpului magnetic. Legea Biot-Savart-LaplaceIntensitatea câmpului magnetic(desemnare standard N ) - vector cantitate fizica, egală cu diferența vectorului inducție magnetică B Și vector de magnetizare J .
ÎN Sistemul internațional de unități (SI): 
Unde- constantă magnetică.
Legea BSL. Legea care determină câmpul magnetic al unui element de curent individual 
39. Aplicatii ale legii Bio-Savart-Laplace. Pentru câmpul de curent continuu
Pentru o întoarcere circulară.
Și pentru solenoid
40. Inducerea câmpului magnetic Un câmp magnetic este caracterizat de o mărime vectorială, care se numește inducție a câmpului magnetic (o mărime vectorială care este o forță caracteristică câmpului magnetic într-un punct dat din spațiu). MI. (B) aceasta nu este o forță care acționează asupra conductorilor, aceasta este o mărime care se găsește printr-o forță dată conform următoarea formulă: B=F / (I*l) (Verbal: Modul vectorial MI. (B) egal cu raportul modulul de forță F cu care acționează câmpul magnetic asupra unui conductor purtător de curent situat perpendicular pe liniile magnetice, pe puterea curentului în conductorul I și pe lungimea conductorului l. Inducția magnetică depinde doar de câmpul magnetic. În acest sens, inducția poate fi considerată o caracteristică cantitativă a unui câmp magnetic. Ea determină cu ce forță (forța Lorentz) acționează câmpul magnetic asupra unei sarcini care se mișcă cu viteză. 
MI se măsoară în tesla (1 Tesla). În acest caz, 1 T=1 N/(A*m). MI are o direcție. Grafic poate fi schițat sub formă de linii. Într-un câmp magnetic uniform, liniile MI sunt paralele, iar vectorul MI va fi direcționat în același mod în toate punctele. În cazul unui câmp magnetic neuniform, de exemplu, un câmp în jurul unui conductor purtător de curent, vectorul de inducție magnetică se va schimba în fiecare punct al spațiului din jurul conductorului, iar tangentele la acest vector vor crea cercuri concentrice în jurul conductorului. .
41. Mișcarea unei particule într-un câmp magnetic. forța Lorentz. a) - Dacă o particulă zboară într-o regiune a câmpului magnetic uniform, iar vectorul V este perpendicular pe vectorul B, atunci se deplasează într-un cerc de rază R=mV/qB, deoarece forța Lorentz Fl=mV^2 /R joacă rolul unei forțe centripete. Perioada de revoluție este egală cu T=2piR/V=2pim/qB și nu depinde de viteza particulei (Acest lucru este valabil numai pentru V<<скорости света) - Если угол между векторами V и B не равен 0 и 90 градусов, то частица в однородном магнитном поле движется по винтовой линии. - Если вектор V параллелен B, то частица движется по прямой линии (Fл=0). б) Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца.
Forța magnetică este determinată de relația: Fl = q·V·B·sina (q este mărimea sarcinii în mișcare; V este modulul vitezei acesteia; B este modulul vectorului de inducție a câmpului magnetic; alfa este unghi între vectorul V și vectorul B) Forța Lorentz este perpendiculară pe viteză și de aceea nu funcționează, nu modifică modulul vitezei de încărcare și energia cinetică a acesteia. Dar direcția vitezei se schimbă continuu. Forța Lorentz este perpendiculară pe vectorii B și v, iar direcția ei este determinată folosind aceeași regulă pentru stânga ca și direcția forței Ampere: dacă mâna stângă este poziționată astfel încât componenta inducției magnetice B, perpendiculară pe viteza sarcinii, intră în palmă, iar cele patru degete sunt îndreptate de-a lungul mișcării sarcinii pozitive (împotriva mișcării negative), apoi degetul mare îndoit la 90 de grade va arăta direcția forței Lorentz F l care acționează asupra taxa. 
Unul dintre cele mai importante concepte din mecanică este munca de forta .
Munca de forta
Toate corpurile fizice din lumea din jurul nostru sunt puse în mișcare prin forță. Dacă un corp în mișcare în aceeași direcție sau opusă este acționat de o forță sau mai multe forțe de la unul sau mai multe corpuri, atunci se spune că se lucrează .
Adică, lucrul mecanic este efectuat de o forță care acționează asupra corpului. Astfel, forța de tracțiune a unei locomotive electrice pune în mișcare întregul tren, efectuând astfel un lucru mecanic. Bicicleta este condusă de puterea musculară a picioarelor biciclistului. În consecință, această forță face și lucru mecanic.
În fizică munca de forta numiți o mărime fizică egală cu produsul dintre modulul forței, modulul de deplasare al punctului de aplicare al forței și cosinusul unghiului dintre vectorii forță și deplasarea.
A = F s cos (F, s) ,
Unde F modul de forță,
s – modul de călătorie .
Se lucrează întotdeauna dacă unghiul dintre vânturile de forță și deplasare nu este zero. Dacă forța acționează în direcția opusă direcției de mișcare, cantitatea de lucru este negativă.
Nu se lucrează dacă nu acționează forțe asupra corpului sau dacă unghiul dintre forța aplicată și direcția de mișcare este de 90 o (cos 90 o = 0).
Dacă un cal trage o căruță, atunci forța musculară a calului sau forța de tracțiune direcționată de-a lungul direcției de mișcare a căruței funcționează. Dar forța de gravitație cu care șoferul apasă pe cărucior nu funcționează, deoarece este îndreptată în jos, perpendicular pe direcția de mișcare.
Lucrul forței este o mărime scalară.
Unitatea de lucru în sistemul de măsurare SI - joule. 1 joule este munca efectuată de o forță de 1 newton la o distanță de 1 m dacă direcțiile forței și deplasarea coincid.
Dacă asupra unui corp sau a unui punct material acţionează mai multe forţe, atunci vorbim de munca făcută de forţa lor rezultantă.
Dacă forța aplicată nu este constantă, atunci munca sa este calculată ca o integrală:
Putere
Forța care mișcă un corp efectuează un lucru mecanic. Dar cum se face această muncă, rapid sau încet, este uneori foarte important de știut în practică. La urma urmei, aceeași lucrare poate fi finalizată în momente diferite. Munca pe care o face un motor electric mare poate fi realizată de un motor mic. Dar va avea nevoie de mult mai mult timp pentru asta.
În mecanică, există o cantitate care caracterizează viteza de lucru. Această cantitate se numește putere.
Puterea este raportul dintre munca efectuată într-o anumită perioadă de timp și valoarea acestei perioade.
N= A /∆ t
A-prioriu A = F s cos α , A s/∆ t = v , prin urmare
N= F v cos α = F v ,
Unde F - forta, v viteză, α – unghiul dintre direcția forței și direcția vitezei.
Acesta este putere - acesta este produsul scalar dintre vectorul forță și vectorul viteză al corpului.
În sistemul internațional SI, puterea este măsurată în wați (W).
1 watt de putere este 1 joule (J) de lucru efectuat în 1 secundă (s).
Puterea poate fi crescută prin creșterea forței care efectuează lucrul sau a ratei la care este efectuată acea muncă.
Munca mecanica. Unități de lucru.
În viața de zi cu zi, înțelegem totul prin conceptul de „muncă”.
În fizică, conceptul Loc de munca oarecum diferit. Este o mărime fizică definită, ceea ce înseamnă că poate fi măsurată. În fizică se studiază în primul rând munca mecanica .
Să ne uităm la exemple de lucru mecanic.
Trenul se deplasează sub forța de tracțiune a unei locomotive electrice și se efectuează lucrări mecanice. Când se trage un pistol, forța de presiune a gazelor pulbere funcționează - mută glonțul de-a lungul țevii, iar viteza glonțului crește.
Din aceste exemple reiese clar că lucrul mecanic este efectuat atunci când un corp se mișcă sub influența forței. Lucrul mecanic este efectuat și în cazul în care o forță care acționează asupra unui corp (de exemplu, forța de frecare) reduce viteza de mișcare a acestuia.
Dorind să mutăm dulapul, apăsăm puternic pe el, dar dacă nu se mișcă, atunci nu efectuăm lucrări mecanice. Se poate imagina un caz în care un corp se mișcă fără participarea forțelor (prin inerție, în acest caz, nici un lucru mecanic nu este efectuat).
Asa de, munca mecanica se face numai atunci cand asupra unui corp actioneaza o forta si acesta se misca .
Nu este greu de înțeles că, cu cât forța acționează mai mare asupra corpului și cu cât este mai lungă calea pe care corpul o parcurge sub influența acestei forțe, cu atât munca depusă este mai mare.
Lucrul mecanic este direct proportional cu forta aplicata si direct proportional cu distanta parcursa .
Prin urmare, am convenit să măsurăm lucrul mecanic prin produsul forței și calea parcursă de-a lungul acestei direcții a acestei forțe:
munca = forta × cale
Unde A- Loc de munca, F- puterea si s- distanta parcursa.
O unitate de lucru este considerată munca efectuată de o forță de 1 N pe o cale de 1 m.
unitate de lucru - joule (J ) numit după savantul englez Joule. Prin urmare,
1 J = 1 N m.
De asemenea, folosit kilojulii (kJ) .
1 kJ = 1000 J.
Formulă A = Fs aplicabil atunci când forța F constantă și coincide cu direcția de mișcare a corpului.
Dacă direcția forței coincide cu direcția de mișcare a corpului, atunci această forță efectuează o activitate pozitivă.
Dacă corpul se mișcă în direcția opusă direcției forței aplicate, de exemplu, forța de frecare de alunecare, atunci această forță face un lucru negativ.
Dacă direcția forței care acționează asupra corpului este perpendiculară pe direcția mișcării, atunci această forță nu lucrează, munca este zero:
În viitor, vorbind despre munca mecanică, o vom numi pe scurt într-un singur cuvânt - muncă.
Exemplu. Calculați munca efectuată la ridicarea unei plăci de granit cu un volum de 0,5 m3 la o înălțime de 20 m. Densitatea granitului este de 2500 kg/m3.
Dat:
ρ = 2500 kg/m 3
Soluţie:
unde F este forța care trebuie aplicată pentru a ridica uniform placa. Această forță este egală ca modul cu forța Fstrand care acționează asupra plăcii, adică F = Fstrand. Iar forța gravitațională poate fi determinată de masa plăcii: Fgreutate = gm. Să calculăm masa plăcii, cunoscând volumul acesteia și densitatea granitului: m = ρV; s = h, adică traseul este egal cu înălțimea de ridicare.
Deci, m = 2500 kg/m3 · 0,5 m3 = 1250 kg.
F = 9,8 N/kg · 1250 kg ≈ 12.250 N.
A = 12.250 N · 20 m = 245.000 J = 245 kJ.
Răspuns: A = 245 kJ.
Pârghii.Putere.Energie
Motoare diferite necesită timpi diferiți pentru a finaliza aceeași lucrare. De exemplu, o macara de la un șantier ridică sute de cărămizi la ultimul etaj al unei clădiri în câteva minute. Dacă aceste cărămizi ar fi mutate de un muncitor, i-ar lua câteva ore să facă acest lucru. Alt exemplu. Un cal poate ară un hectar de pământ în 10-12 ore, în timp ce un tractor cu plug cu mai multe cote ( prag- parte din plug care taie stratul de pământ de dedesubt și îl transferă în groapă; plug multiplu - multe pluguri), această lucrare va fi finalizată în 40-50 de minute.
Este clar că o macara face aceeași muncă mai repede decât un muncitor, iar un tractor face aceeași muncă mai repede decât un cal. Viteza de lucru este caracterizată de o cantitate specială numită putere.
Puterea este egală cu raportul dintre muncă și timpul în care a fost efectuată.
Pentru a calcula puterea, trebuie să împărțiți munca la timpul în care a fost efectuată această muncă. putere = munca/timp.
Unde N- putere, A- Loc de munca, t- timpul de lucru finalizat.
Puterea este o cantitate constantă atunci când aceeași muncă este efectuată în fiecare secundă, în alte cazuri, raportul La determină puterea medie:
N medie = La . Unitatea de putere este considerată puterea la care J de lucru este realizat în 1 s.
Această unitate se numește watt ( W) în onoarea unui alt om de știință englez, Watt.
1 watt = 1 joule/1 secundă, sau 1 W = 1 J/s.
Watt (joule pe secundă) - W (1 J/s).
Unitățile mai mari de putere sunt utilizate pe scară largă în tehnologie - kilowatt (kW), megawatt (MW) .
1 MW = 1.000.000 W
1 kW = 1000 W
1 mW = 0,001 W
1 W = 0,000001 MW
1 W = 0,001 kW
1 W = 1000 mW
Exemplu. Aflați puterea debitului de apă care curge prin baraj dacă înălțimea căderii de apă este de 25 m și debitul său este de 120 m3 pe minut.
Dat:
ρ = 1000 kg/m3
Soluţie:
Masa apei care cade: m = ρV,
m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120.000 kg (12 104 kg).
Gravitația care acționează asupra apei:
F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)
Lucru efectuat prin debit pe minut:
A - 1.200.000 N · 25 m = 30.000.000 J (3 · 107 J).
Puterea debitului: N = A/t,
N = 30.000.000 J / 60 s = 500.000 W = 0,5 MW.
Răspuns: N = 0,5 MW.
Diverse motoare au puteri care variază de la sutimi și zecimi de kilowatt (motor al unui aparat de ras electric, mașină de cusut) până la sute de mii de kilowați (turbine cu apă și abur).
Tabelul 5.
Puterea unor motoare, kW.
Fiecare motor are o placă (pașaport motor), care indică unele informații despre motor, inclusiv puterea acestuia.
Puterea umană în condiții normale de funcționare este în medie de 70-80 W. Când sare sau alergă pe scări, o persoană poate dezvolta o putere de până la 730 W și, în unele cazuri, chiar mai mult.
Din formula N = A/t rezultă că
Pentru a calcula munca, este necesar să înmulțiți puterea cu timpul în care a fost efectuată această muncă.
Exemplu. Motorul ventilatorului camerei are o putere de 35 de wați. Cât de mult lucrează în 10 minute?
Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.
Dat:
Soluţie:
A = 35 W * 600s = 21.000 W * s = 21.000 J = 21 kJ.
Răspuns A= 21 kJ.
Mecanisme simple.
Din cele mai vechi timpuri, omul a folosit diverse dispozitive pentru a efectua lucrări mecanice.
|
|
Toată lumea știe că un obiect greu (o piatră, un dulap, o mașină unealtă), care nu poate fi deplasat cu mâna, poate fi mutat cu ajutorul unui baston suficient de lung - o pârghie.
În prezent, se crede că, cu ajutorul pârghiilor în urmă cu trei mii de ani, în timpul construcției piramidelor din Egiptul Antic, plăcile grele de piatră au fost mutate și ridicate la înălțimi mari.
În multe cazuri, în loc să ridice o sarcină grea la o anumită înălțime, aceasta poate fi rulată sau trasă la aceeași înălțime de-a lungul unui plan înclinat sau ridicată cu ajutorul blocurilor.
Dispozitivele folosite pentru a converti forța sunt numite mecanisme .
Mecanismele simple includ: pârghii și varietățile sale - bloc, poartă; planul înclinat și soiurile sale - pană, șurub. În cele mai multe cazuri, mecanisme simple sunt folosite pentru a câștiga forță, adică pentru a crește forța care acționează asupra corpului de mai multe ori.
Mecanisme simple se găsesc atât în gospodărie, cât și în toate mașinile industriale și industriale complexe care taie, răsucesc și ștampilă foi mari de oțel sau trag cele mai fine fire din care sunt apoi realizate țesăturile. Aceleași mecanisme pot fi găsite în mașinile automate complexe moderne, mașinile de tipărit și numărat.
Maneta. Echilibrul forțelor pe pârghie.
Să luăm în considerare cel mai simplu și mai comun mecanism - pârghia.
O pârghie este un corp rigid care se poate roti în jurul unui suport fix.
Imaginile arată cum un muncitor folosește o rangă ca pârghie pentru a ridica o încărcătură. În primul caz, muncitorul cu forță F apasă capătul rangei B, în al doilea - ridică capătul B.
Muncitorul trebuie să depășească greutatea încărcăturii P- forta indreptata vertical in jos. Pentru a face acest lucru, el întoarce ranga în jurul unei axe care trece prin singura nemişcat punctul de rupere este punctul de sprijin al acestuia DESPRE. Forta F cu care lucrătorul acționează asupra pârghiei este mai puțină forță P, astfel lucrătorul primește câștigă în forță. Folosind o pârghie, puteți ridica o sarcină atât de mare încât să nu o puteți ridica singur.
Figura prezintă o pârghie a cărei axă de rotație este DESPRE(fulcrul) este situat între punctele de aplicare a forțelor AȘi ÎN. O altă imagine arată o diagramă a acestei pârghii. Ambele forțe F 1 și F 2 care acționează asupra pârghiei sunt direcționate într-o singură direcție.
Cea mai scurtă distanță dintre punct de sprijin și linia dreaptă de-a lungul căreia forța acționează asupra pârghiei se numește braț de forță.
Pentru a găsi brațul forței, trebuie să coborâți perpendiculara de la punctul de sprijin la linia de acțiune a forței.Lungimea acestei perpendiculare va fi brațul acestei forțe. Figura arată că OA- puterea umerilor F 1; OB- puterea umerilor F 2. Forțele care acționează asupra pârghiei o pot roti în jurul axei sale în două direcții: în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic. Da, putere F 1 rotește pârghia în sensul acelor de ceasornic și forța F 2 îl rotește în sens invers acelor de ceasornic.
Condiția în care pârghia se află în echilibru sub influența forțelor aplicate acesteia poate fi stabilită experimental. Trebuie amintit că rezultatul acțiunii unei forțe depinde nu numai de valoarea sa numerică (modulul), ci și de punctul în care este aplicată corpului sau de modul în care este direcționată.
Diferite greutăți sunt suspendate de pârghie (vezi figura) pe ambele părți ale punctului de sprijin, astfel încât de fiecare dată pârghia să rămână în echilibru. Forțele care acționează asupra pârghiei sunt egale cu greutățile acestor sarcini. Pentru fiecare caz, se măsoară modulele de forță și umerii acestora. Din experiența prezentată în Figura 154, este clar că forța 2 N echilibrează forța 4 N. În acest caz, după cum se poate observa din figură, umărul cu forță mai mică este de 2 ori mai mare decât umărul cu putere mai mare.
Pe baza unor astfel de experimente s-a stabilit condiția (regula) echilibrului pârghiei.
O pârghie este în echilibru atunci când forțele care acționează asupra ei sunt invers proporționale cu brațele acestor forțe.
Această regulă poate fi scrisă sub formă de formulă:
F 1/F 2 = l 2/ l 1 ,
Unde F 1Și F 2 - forte care actioneaza asupra manetei, l 1Și l 2 , - umerii acestor forţe (vezi figura).
Regula echilibrului pârghiei a fost stabilită de Arhimede în jurul anilor 287 - 212. î.Hr e. (dar în ultimul paragraf s-a spus că pârghiile erau folosite de egipteni? Sau cuvântul „stabilit” joacă aici un rol important?)
Din această regulă rezultă că o forță mai mică poate fi folosită pentru a echilibra o forță mai mare folosind o pârghie. Lăsați un braț al pârghiei să fie de 3 ori mai mare decât celălalt (vezi figura). Apoi, aplicând o forță de, de exemplu, 400 N în punctul B, puteți ridica o piatră cu o greutate de 1200 N. Pentru a ridica o sarcină și mai grea, trebuie să măriți lungimea brațului de pârghie asupra căruia lucrătorul acționează.
Exemplu. Cu ajutorul unei pârghii, un muncitor ridică o placă cu o greutate de 240 kg (vezi Fig. 149). Ce forță aplică brațului de pârghie mai mare de 2,4 m dacă brațul mai mic are 0,6 m?
Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.
Dat:
Soluţie:
Conform regulii de echilibru a pârghiei, F1/F2 = l2/l1, de unde F1 = F2 l2/l1, unde F2 = P este greutatea pietrei. Greutatea pietrei asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N
Apoi, F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.
Răspuns: F1 = 600 N.
În exemplul nostru, muncitorul depășește o forță de 2400 N, aplicând o forță de 600 N pârghiei Dar în acest caz, brațul asupra căruia acționează muncitorul este de 4 ori mai lung decât cel asupra căruia acționează greutatea pietrei. ( l 1 : l 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).
Prin aplicarea regulii pârghiei, o forță mai mică poate echilibra o forță mai mare. În acest caz, umărul cu forță mai mică ar trebui să fie mai lung decât umărul cu forță mai mare.
Moment de putere.
Știți deja regula echilibrului pârghiei:
F 1 / F 2 = l 2 / l 1 ,
Folosind proprietatea proporției (produsul membrilor săi extremi este egal cu produsul membrilor săi din mijloc), îl scriem sub această formă:
F 1l 1 = F 2 l 2 .
În partea stângă a egalității se află produsul forței F 1 pe umărul ei l 1, iar în dreapta - produsul forței F 2 pe umărul ei l 2 .
Se numește produsul dintre modulul forței care rotește corpul și umărul acestuia moment de forta; este desemnat prin litera M. Aceasta înseamnă
O pârghie este în echilibru sub acțiunea a două forțe dacă momentul forței care o rotește în sensul acelor de ceasornic este egal cu momentul forței care o rotește în sens invers acelor de ceasornic.
Această regulă se numește regula momentelor , poate fi scris sub formă de formulă:
M1 = M2
Într-adevăr, în experimentul pe care l-am avut în vedere (§ 56), forțele care acționau au fost egale cu 2 N și 4 N, umerii lor s-au ridicat la 4 și respectiv 2 presiuni ale pârghiei, adică momentele acestor forțe sunt aceleași atunci când pârghia este în echilibru. .
Momentul forței, ca orice mărime fizică, poate fi măsurat. Unitatea de măsură a forței este considerată un moment de forță de 1 N, al cărui braț este exact 1 m.
Această unitate este numită newtonmetru (N m).
Momentul forței caracterizează acțiunea unei forțe și arată că acesta depinde simultan atât de modulul forței, cât și de pârghia acesteia. Într-adevăr, știm deja, de exemplu, că acțiunea unei forțe asupra unei uși depinde atât de mărimea forței, cât și de locul în care se aplică forța. Cu cât este mai ușor să rotești ușa, cu atât se aplică forța care acționează asupra ei mai departe de axa de rotație. Este mai bine să deșurubați piulița cu o cheie lungă decât cu una scurtă. Cu cât este mai ușor să ridici o găleată din fântână, cu atât mânerul porții este mai lung etc.
Pârghii în tehnologie, viața de zi cu zi și natură.
Regula efectului de pârghie (sau regula momentelor) stă la baza acțiunii diferitelor tipuri de instrumente și dispozitive utilizate în tehnologie și viața de zi cu zi, unde este necesar un câștig în forță sau deplasare.
Avem un câștig în forță atunci când lucrăm cu foarfecele. Foarfece - aceasta este o pârghie(fig), a cărui axă de rotație are loc printr-un șurub care leagă ambele jumătăți ale foarfecelor. Forța de acțiune F 1 este forța musculară a mâinii persoanei care ține foarfeca. Contraforța F 2 este forța de rezistență a materialului tăiat cu foarfecele. În funcție de scopul foarfecelor, designul acestora variază. Foarfecele de birou, concepute pentru tăierea hârtiei, au lame lungi și mânere aproape de aceeași lungime. Tăierea hârtiei nu necesită multă forță, iar o lamă lungă facilitează tăierea în linie dreaptă. Foarfecele pentru tăierea tablei (Fig.) au mânere mult mai lungi decât lamele, deoarece forța de rezistență a metalului este mare și pentru a o echilibra, brațul forței de acționare trebuie crescut semnificativ. Diferența dintre lungimea mânerelor și distanța piesei de tăiere și axa de rotație este și mai mare tăietori de sârmă(Fig.), conceput pentru tăierea sârmei.
Multe mașini au diferite tipuri de pârghii. Mânerul unei mașini de cusut, pedalele sau frâna de mână a unei biciclete, pedalele unei mașini și ale unui tractor și clapele unui pian sunt toate exemple de pârghii utilizate în aceste mașini și unelte.
Exemple de utilizare a pârghiilor sunt mânerele menghinelor și bancurilor de lucru, pârghia unei mașini de găurit etc.
Acțiunea cântarilor pârghiei se bazează pe principiul pârghiei (Fig.). Scalele de antrenament prezentate în Figura 48 (p. 42) acţionează ca pârghie cu brațe egale . ÎN scale zecimale Umărul de care este suspendată cupa cu greutăți este de 10 ori mai lung decât umărul care poartă sarcina. Acest lucru face mult mai ușoară cântărirea sarcinilor mari. Când cântăriți o încărcătură pe o cântar zecimal, ar trebui să înmulțiți masa greutăților cu 10.
|
|
|
Dispozitivul cântarelor pentru cântărirea vagoanelor de marfă ale mașinilor se bazează și pe regula efectului de pârghie.
Pârghiile se găsesc și în diferite părți ale corpului animalelor și oamenilor. Acestea sunt, de exemplu, brațele, picioarele, fălcile. Multe pârghii pot fi găsite în corpul insectelor (prin citirea unei cărți despre insecte și structura corpului lor), păsări și în structura plantelor.
Aplicarea legii echilibrului a unei pârghii la un bloc.
bloc Este o roată cu canelură, montată într-un suport. O frânghie, un cablu sau un lanț este trecut prin canelura blocului.
|
|
Bloc fix Acesta este un bloc a cărui axă este fixă și nu se ridică sau coboară la ridicarea sarcinilor (Fig).
Un bloc fix poate fi considerat ca o pârghie cu brațe egale, în care brațele forțelor sunt egale cu raza roții (Fig): OA = OB = r. Un astfel de bloc nu oferă un câștig în forță. ( F 1 = F 2), dar vă permite să schimbați direcția forței. Bloc mobil - acesta este un bloc. a cărui axă urcă și coboară odată cu sarcina (Fig.). Figura arată pârghia corespunzătoare: DESPRE- punctul de sprijin al pârghiei, OA- puterea umerilor RȘi OB- puterea umerilor F. De la umăr OB de 2 ori umărul OA, apoi puterea F de 2 ori mai puțină forță R:
F = P/2 .
Prin urmare, blocul mobil oferă un câștig de 2 ori în forță .
Acest lucru poate fi demonstrat folosind conceptul de moment al forței. Când blocul este în echilibru, momentele forțelor FȘi R egale între ele. Dar umărul puterii F de 2 ori pârghia Rși, prin urmare, puterea însăși F de 2 ori mai puțină forță R.
De obicei, în practică se folosește o combinație între un bloc fix și unul mobil (Fig.). Blocul fix este folosit doar pentru confort. Nu dă un câștig în forță, dar schimbă direcția forței. De exemplu, vă permite să ridicați o încărcătură în timp ce stați pe pământ. Acest lucru este util pentru mulți oameni sau lucrători. Cu toate acestea, oferă un câștig în forță de 2 ori mai mare decât de obicei!
Egalitatea muncii atunci când se utilizează mecanisme simple. „Regula de aur” a mecanicii.
Mecanismele simple pe care le-am luat în considerare sunt folosite la efectuarea lucrărilor în cazurile în care este necesară echilibrarea unei alte forțe prin acțiunea unei forțe.
Desigur, se pune întrebarea: în timp ce oferă un câștig în forță sau cale, mecanismele simple nu oferă un câștig în muncă? Răspunsul la această întrebare poate fi obținut din experiență.
Prin echilibrarea a două forțe de mărime diferită pe o pârghie F 1 și F 2 (fig.), puneți maneta în mișcare. Rezultă că, în același timp, punctul de aplicare a forței mai mici F 2 merge mai departe s 2 și punctul de aplicare al forței mai mari F 1 - cale mai scurtă s 1. După ce am măsurat aceste căi și module de forță, constatăm că traseele parcurse de punctele de aplicare a forțelor pe pârghie sunt invers proporționale cu forțele:
s 1 / s 2 = F 2 / F 1.
Astfel, acționând asupra brațului lung al pârghiei, câștigăm în forță, dar în același timp pierdem cu aceeași cantitate pe parcurs.
Produsul forței F pe drum s există de lucru. Experimentele noastre arată că munca efectuată de forțele aplicate pârghiei este egală între ele:
F 1 s 1 = F 2 s 2, adică A 1 = A 2.
Asa de, Când utilizați efectul de pârghie, nu veți putea câștiga la serviciu.
Folosind pârghia, putem câștiga fie putere, fie distanță. Aplicând forță brațului scurt al pârghiei, câștigăm în distanță, dar pierdem cu aceeași putere.
Există o legendă că Arhimede, încântat de descoperirea regulii pârghiei, a exclamat: „Dă-mi un punct de sprijin și voi întoarce Pământul!”
Desigur, Arhimede nu putea face față unei astfel de sarcini chiar dacă i s-ar fi dat un punct de sprijin (care ar fi trebuit să fie în afara Pământului) și o pârghie de lungimea necesară.
Pentru a ridica pământul cu doar 1 cm, brațul lung al pârghiei ar trebui să descrie un arc de lungime enormă. Ar dura milioane de ani pentru a deplasa capătul lung al pârghiei pe această cale, de exemplu, cu o viteză de 1 m/s!
Un bloc staționar nu aduce niciun câștig în muncă, care este ușor de verificat experimental (vezi figura). Căi parcurse de punctele de aplicare a forțelor FȘi F, sunt aceleași, forțele sunt aceleași, ceea ce înseamnă că munca este aceeași.
Puteți măsura și compara munca efectuată cu ajutorul unui bloc în mișcare. Pentru a ridica o sarcină la o înălțime h cu ajutorul unui bloc mobil, este necesar să mutați capătul cablului de care este atașat dinamometrul, după cum arată experiența (Fig.), la o înălțime de 2h.
Prin urmare, obținând un câștig de 2 ori în forță, ei pierd de 2 ori pe drum, prin urmare, blocul mobil nu oferă un câștig în muncă.
Practica veche de secole a arătat că Niciunul dintre mecanisme nu oferă un câștig în performanță. Aceștia folosesc diverse mecanisme pentru a câștiga în forță sau în călătorii, în funcție de condițiile de lucru.
Oamenii de știință antici cunoșteau deja o regulă aplicabilă tuturor mecanismelor: indiferent de câte ori câștigăm în forță, tot de câte ori pierdem la distanță. Această regulă a fost numită „regula de aur” a mecanicii.
Eficiența mecanismului.
Când am luat în considerare designul și acțiunea pârghiei, nu am ținut cont de frecare, precum și de greutatea pârghiei. în aceste condiții ideale, munca efectuată de forța aplicată (vom numi această muncă deplin), este egal cu util lucrați la ridicarea sarcinilor sau depășirea oricărei rezistențe.
În practică, munca totală efectuată de un mecanism este întotdeauna puțin mai mare decât munca utilă.
O parte din lucru este efectuată împotriva forței de frecare din mecanism și prin mișcarea părților sale individuale. Deci, atunci când utilizați un bloc mobil, trebuie să lucrați suplimentar pentru a ridica blocul în sine, frânghia și determinați forța de frecare în axa blocului.
Indiferent de mecanismul pe care îl luăm, munca utilă realizată cu ajutorul său constituie întotdeauna doar o parte din munca totală. Aceasta înseamnă că, notând munca utilă cu litera Ap, munca totală (cheltuită) cu litera Az, putem scrie:
Sus< Аз или Ап / Аз < 1.
Raportul dintre munca utilă și munca totală se numește eficiența mecanismului.
Factorul de eficiență este abreviat ca eficiență.
Eficiență = Ap / Az.
Eficiența este de obicei exprimată ca procent și este notă cu litera greacă η, citită ca „eta”:
η = Ap / Az · 100%.
Exemplu: O sarcină de 100 kg este suspendată de brațul scurt al unei pârghii. Pentru a-l ridica, se aplică o forță de 250 N pe brațul lung eficienta manetei.
Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.
Dat :
Soluţie :
η = Ap / Az · 100%.
Munca totală (cheltuită) Az = Fh2.
Lucru util Ap = Рh1
P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.
Ap = 1000 N · 0,08 = 80 J.
Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.
η = 80 J/100 J 100% = 80%.
Răspuns : η = 80%.
Dar „regula de aur” se aplică și în acest caz. O parte din munca utilă - 20% din aceasta - este cheltuită pentru depășirea frecării în axa pârghiei și a rezistenței aerului, precum și pentru mișcarea pârghiei în sine.
Eficiența oricărui mecanism este întotdeauna mai mică de 100%. Atunci când proiectează mecanisme, oamenii se străduiesc să-și sporească eficiența. Pentru a realiza acest lucru, frecarea în axele mecanismelor și greutatea acestora sunt reduse.
Energie.
În fabrici și fabrici, mașinile și mașinile sunt acționate de motoare electrice, care consumă energie electrică (de unde și numele).
|
Un arc comprimat (Fig.), atunci când este îndreptat, funcționează, ridică o sarcină la o înălțime sau face să se miște un cărucior. O sarcină staționară ridicată deasupra solului nu funcționează, dar dacă această sarcină cade, poate face lucru (de exemplu, poate arunca o grămadă în pământ). Fiecare corp în mișcare are capacitatea de a lucra. Astfel, o bilă de oțel A (orez) care se rostogolește în jos dintr-un plan înclinat, lovind un bloc de lemn B, îl deplasează la o anumită distanță. În același timp, se lucrează. Dacă un corp sau mai multe corpuri care interacționează (un sistem de corpuri) pot lucra, se spune că au energie. Energie - o cantitate fizică care arată cât de multă muncă poate face un corp (sau mai multe corpuri). Energia este exprimată în sistemul SI în aceleași unități ca și munca, adică în jouli. Cu cât un corp poate face mai multă muncă, cu atât are mai multă energie. Când se lucrează, energia corpului se schimbă. Munca efectuată este egală cu schimbarea energiei. Energia potențială și cinetică.Potenţial (din lat. potenta - posibilitate) energia este energia care este determinată de poziția relativă a corpurilor și părților aceluiași corp care interacționează. Energia potențială, de exemplu, este deținută de un corp ridicat față de suprafața Pământului, deoarece energia depinde de poziția relativă a acestuia și a Pământului. și atracția lor reciprocă. Dacă considerăm că energia potențială a unui corp situat pe Pământ este zero, atunci energia potențială a unui corp ridicat la o anumită înălțime va fi determinată de munca gravitațională atunci când corpul cade pe Pământ. Să notăm energia potențială a corpului E n, pentru că E = A, iar munca, după cum știm, este egală cu produsul dintre forță și cale, atunci A = Fh, Unde F- gravitatie. Aceasta înseamnă că energia potențială En este egală cu: E = Fh sau E = gmh, Unde g- accelerarea gravitației, m- masa corpului, h- inaltimea la care este ridicat corpul. Apa din râurile ținute de baraje are o energie potențială enormă. Căzând, apa funcționează, acționând turbine puternice ale centralelor electrice. Energia potențială a unui ciocan de copra (Fig.) este utilizată în construcții pentru a efectua lucrările de batare a piloților. La deschiderea unei uși cu arc, se lucrează la întinderea (sau comprimarea) arcului. Datorita energiei dobandite, arcul, contractand (sau indreptand), functioneaza, inchizand usa. Energia arcurilor comprimate și nerăsucite este folosită, de exemplu, în ceasuri, diverse jucării cu vânt etc. Orice corp elastic deformat are energie potențială. Energia potențială a gazului comprimat este utilizată în exploatarea motoarelor termice, în ciocanele pneumatice, care sunt utilizate pe scară largă în industria minieră, în construcția drumurilor, excavarea solului dur etc. Energia pe care o posedă un corp ca urmare a mișcării sale se numește cinetică (din greacă. cinematograf - mişcare) energie. Energia cinetică a unui corp este indicată prin literă E La. Apa în mișcare, acționând turbinele centralelor hidroelectrice, își cheltuiește energia cinetică și funcționează. Aerul în mișcare, vântul, are și energie cinetică. De ce depinde energia cinetică? Să trecem la experiență (vezi figura). Dacă aruncați mingea A de la înălțimi diferite, veți observa că, cu cât este mai mare înălțimea de la care se rostogolește mingea, cu atât este mai mare viteza acesteia și cu atât mai mult mișcă blocul, adică lucrează mai mult. Aceasta înseamnă că energia cinetică a unui corp depinde de viteza acestuia. Datorită vitezei sale, un glonț zburător are energie cinetică mare. Energia cinetică a unui corp depinde și de masa acestuia. Să ne facem din nou experimentul, dar vom rostogoli o altă minge de masă mai mare din planul înclinat. Bara B se va deplasa mai departe, adică se va lucra mai mult. Aceasta înseamnă că energia cinetică a celei de-a doua bile este mai mare decât a primei. Cu cât este mai mare masa unui corp și viteza cu care se mișcă, cu atât energia cinetică este mai mare. Pentru a determina energia cinetică a unui corp, se utilizează formula: Ek = mv^2 /2, Unde m- masa corpului, v- viteza de deplasare a corpului. Energia cinetică a corpurilor este folosită în tehnologie. Apa reținută de baraj are, după cum sa menționat deja, o mare energie potențială. Când apa cade dintr-un baraj, se mișcă și are aceeași energie cinetică mare. Acționează o turbină conectată la un generator de curent electric. Datorită energiei cinetice a apei se generează energie electrică. Energia apei în mișcare este de mare importanță în economia națională. Această energie este folosită folosind centrale hidroelectrice puternice. Energia apei în cădere este o sursă de energie prietenoasă cu mediul, spre deosebire de energia combustibilului. Toate corpurile din natură, în raport cu valoarea convențională zero, au fie energie potențială, fie energie cinetică și uneori ambele împreună. De exemplu, un avion zburător are atât energie cinetică, cât și energie potențială în raport cu Pământul. Ne-am familiarizat cu două tipuri de energie mecanică. Alte tipuri de energie (electrică, internă etc.) vor fi discutate în alte secțiuni ale cursului de fizică. Conversia unui tip de energie mecanică în altul. Fenomenul de transformare a unui tip de energie mecanică în altul este foarte convenabil de observat pe dispozitivul prezentat în figură. Prin înfășurarea firului pe axă, discul dispozitivului este ridicat. Un disc ridicat în sus are o anumită energie potențială. Dacă îi dai drumul, se va învârti și începe să cadă. Pe măsură ce cade, energia potențială a discului scade, dar în același timp și energia cinetică crește. La sfârșitul căderii, discul are o astfel de rezervă de energie cinetică încât se poate ridica din nou aproape la înălțimea anterioară. (O parte din energie este cheltuită lucrând împotriva forței de frecare, astfel încât discul nu atinge înălțimea inițială.) După ce s-a ridicat, discul cade din nou și apoi se ridică din nou. În acest experiment, când discul se mișcă în jos, energia sa potențială se transformă în energie cinetică, iar când se mișcă în sus, energia cinetică se transformă în energie potențială. Transformarea energiei de la un tip la altul are loc și atunci când două corpuri elastice se ciocnesc, de exemplu, o minge de cauciuc pe podea sau o minge de oțel pe o placă de oțel. Dacă ridici o bilă de oțel (orez) deasupra unei plăci de oțel și o eliberezi din mâini, aceasta va cădea. Pe măsură ce mingea cade, energia ei potențială scade, iar energia cinetică crește, pe măsură ce viteza mingii crește. Când mingea lovește placa, atât mingea, cât și placa vor fi comprimate. Energia cinetică pe care o avea mingea se va transforma în energie potențială a plăcii comprimate și a bilei comprimate. Apoi, datorită acțiunii forțelor elastice, placa și bila își vor lua forma inițială. Mingea va sari de pe placă, iar energia lor potențială se va transforma din nou în energia cinetică a mingii: mingea va sări în sus cu o viteză aproape egală cu viteza pe care o avea în momentul în care a lovit placa. Pe măsură ce mingea se ridică în sus, viteza bilei și, prin urmare, energia ei cinetică, scade, în timp ce energia potențială crește. După ce a sărit de pe farfurie, mingea se ridică aproape la aceeași înălțime de la care a început să cadă. În punctul de vârf al ascensiunii, toată energia sa cinetică se va transforma din nou în potențial. Fenomenele naturale sunt de obicei însoțite de transformarea unui tip de energie în altul. Energia poate fi transferată de la un corp la altul. De exemplu, atunci când tirul cu arcul, energia potențială a unei corzi trase este convertită în energia cinetică a unei săgeți zburătoare. |
Pentru a putea caracteriza caracteristicile energetice ale mișcării a fost introdus conceptul de lucru mecanic. Iar articolul îi este dedicat în diversele sale manifestări. Subiectul este atât ușor, cât și destul de greu de înțeles. Autorul a încercat sincer să-l facă mai ușor de înțeles și mai accesibil pentru înțelegere și nu se poate decât spera că scopul a fost atins.
Cum se numește lucrul mecanic?
Ceea ce este numit? Dacă o anumită forță lucrează asupra unui corp și, ca urmare a acțiunii sale, corpul se mișcă, atunci aceasta se numește lucru mecanic. La abordarea din punct de vedere al filosofiei științifice, aici pot fi evidențiate mai multe aspecte suplimentare, dar articolul va acoperi tema din punct de vedere al fizicii. Lucrul mecanic nu este dificil dacă te gândești cu atenție la cuvintele scrise aici. Dar cuvântul „mecanic” nu este de obicei scris și totul este scurtat la cuvântul „muncă”. Dar nu orice muncă este mecanică. Iată un bărbat care stă și se gândește. Funcționează? Din punct de vedere mental da! Dar asta este lucru mecanic? Nu. Ce se întâmplă dacă o persoană merge? Dacă un corp se mișcă sub influența forței, atunci acesta este lucru mecanic. E simplu. Cu alte cuvinte, o forță care acționează asupra unui corp face un lucru (mecanic). Și încă ceva: este munca care poate caracteriza rezultatul acțiunii unei anumite forțe. Deci, dacă o persoană merge, atunci anumite forțe (frecare, gravitație etc.) efectuează un lucru mecanic asupra persoanei și, ca urmare a acțiunii lor, persoana își schimbă punctul de locație, cu alte cuvinte, se mișcă.
Munca ca mărime fizică este egală cu forța care acționează asupra corpului, înmulțită cu drumul pe care corpul l-a făcut sub influența acestei forțe și în direcția indicată de aceasta. Putem spune că munca mecanică s-a făcut dacă s-au îndeplinit simultan 2 condiții: o forță a acționat asupra corpului, iar acesta s-a deplasat în direcția acțiunii sale. Dar nu a apărut sau nu apare dacă forța a acționat și corpul nu și-a schimbat locația în sistemul de coordonate. Iată mici exemple când nu se efectuează lucrări mecanice:
- Deci o persoană se poate sprijini pe un bolovan uriaș pentru a-l muta, dar nu există suficientă forță. Forța acționează asupra pietrei, dar nu se mișcă și nu are loc nicio muncă.
- Corpul se mișcă în sistemul de coordonate, iar forța este egală cu zero sau toate au fost compensate. Acest lucru poate fi observat în timpul mișcării prin inerție.
- Când direcția în care se mișcă un corp este perpendiculară pe acțiunea forței. Când un tren se mișcă de-a lungul unei linii orizontale, gravitația nu își face treaba.
În funcție de anumite condiții, lucrul mecanic poate fi negativ și pozitiv. Deci, dacă direcțiile atât ale forțelor, cât și ale mișcărilor corpului sunt aceleași, atunci apare o muncă pozitivă. Un exemplu de muncă pozitivă este efectul gravitației asupra unei picături de apă care căde. Dar dacă forța și direcția de mișcare sunt opuse, atunci apare un lucru mecanic negativ. Un exemplu de astfel de opțiune este un balon care se ridică în sus și forța gravitației, care face o activitate negativă. Atunci când un corp este supus influenței mai multor forțe, o astfel de muncă se numește „muncă de forță rezultată”.
Caracteristici de aplicare practică (energie cinetică)
Să trecem de la teorie la partea practică. Separat, ar trebui să vorbim despre lucrul mecanic și despre utilizarea sa în fizică. După cum probabil mulți își amintesc, toată energia corpului este împărțită în cinetică și potențială. Când un obiect este în echilibru și nu se mișcă nicăieri, energia sa potențială este egală cu energia sa totală, iar energia sa cinetică este egală cu zero. Când începe mișcarea, energia potențială începe să scadă, energia cinetică începe să crească, dar în total sunt egale cu energia totală a obiectului. Pentru un punct material, energia cinetică este definită ca lucrul unei forțe care accelerează punctul de la zero la valoarea H, iar sub formă de formulă cinetica unui corp este egală cu ½*M*N, unde M este masa. Pentru a afla energia cinetică a unui obiect care constă din multe particule, trebuie să găsiți suma tuturor energiei cinetice a particulelor, iar aceasta va fi energia cinetică a corpului.
Caracteristici de aplicare practică (energie potențială)
În cazul în care toate forțele care acționează asupra corpului sunt conservatoare, iar energia potențială este egală cu totalul, atunci nu se lucrează. Acest postulat este cunoscut sub numele de legea conservării energiei mecanice. Energia mecanică într-un sistem închis este constantă pe un interval de timp. Legea conservării este utilizată pe scară largă pentru a rezolva probleme din mecanica clasică.
Caracteristici de aplicare practică (termodinamică)
În termodinamică, munca efectuată de un gaz în timpul expansiunii este calculată prin integrala presiunii în funcție de volum. Această abordare este aplicabilă nu numai în cazurile în care există o funcție exactă de volum, ci și pentru toate procesele care pot fi afișate în planul presiune/volum. De asemenea, aplică cunoștințele de lucru mecanic nu numai gazelor, ci și oricărui lucru care poate exercita presiune.
Caracteristici ale aplicării practice în practică (mecanica teoretică)
În mecanica teoretică, toate proprietățile și formulele descrise mai sus sunt luate în considerare mai detaliat, în special proiecțiile. De asemenea, oferă definiția sa pentru diverse formule de lucru mecanic (un exemplu de definiție pentru integrala Rimmer): limita la care tinde suma tuturor forțelor de lucru elementare, când finețea partiției tinde spre zero, se numește munca de forta de-a lungul curbei. Probabil dificil? Dar nimic, totul este în regulă cu mecanica teoretică. Da, toate lucrările mecanice, fizica și alte dificultăți s-au terminat. Mai departe vor fi doar exemple și o concluzie.
Unitati de masura a lucrului mecanic
SI folosește jouli pentru a măsura munca, în timp ce GHS utilizează ergi:
- 1 J = 1 kg m²/s² = 1 N m
- 1 erg = 1 g cm²/s² = 1 dină cm
- 1 erg = 10 −7 J
Exemple de lucrări mecanice
Pentru a înțelege în sfârșit un astfel de concept ca lucrul mecanic, ar trebui să studiați mai multe exemple individuale care vă vor permite să îl luați în considerare din multe, dar nu din toate părțile:
- Când o persoană ridică o piatră cu mâinile sale, lucrul mecanic are loc cu ajutorul forței musculare a mâinilor sale;
- Când un tren se deplasează de-a lungul șinelor, acesta este tras de forța de tracțiune a tractorului (locomotivă electrică, locomotivă diesel etc.);
- Dacă luați un pistol și trageți din el, atunci datorită forței de presiune creată de gazele pulbere, se va lucra: glonțul este mutat de-a lungul țevii pistolului în același timp cu creșterea vitezei glonțului în sine;
- Lucrul mecanic există și atunci când forța de frecare acționează asupra unui corp, forțându-l să reducă viteza de mișcare a acestuia;
- Exemplul de mai sus cu bile, când se ridică în sens invers față de direcția gravitației, este și un exemplu de lucru mecanic, dar pe lângă gravitație, acționează și forța Arhimede, când se ridică tot ce este mai ușor decât aerul.
Ce este puterea?
În cele din urmă, aș dori să abordez subiectul puterii. Lucrul efectuat de o forță într-o unitate de timp se numește putere. De fapt, puterea este o mărime fizică care este o reflectare a raportului dintre muncă și o anumită perioadă de timp în care a fost efectuată această muncă: M=P/B, unde M este puterea, P este munca, B este timpul. Unitatea SI de putere este 1 W. Un watt este egal cu puterea care efectuează un joule de lucru într-o secundă: 1 W=1J\1s.
